DE3782279T2 - ELECTRICALLY CHANGEABLE, NON-VOLATILE STORAGE ARRANGEMENT OF THE FLOATING GATE TYPE, WITH A LESS TUNNEL EFFECT AREA AND MANUFACTURE THEREOF. - Google Patents
ELECTRICALLY CHANGEABLE, NON-VOLATILE STORAGE ARRANGEMENT OF THE FLOATING GATE TYPE, WITH A LESS TUNNEL EFFECT AREA AND MANUFACTURE THEREOF.Info
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf Halbleiterspeichervorrichtungen und im spezielleren auf elektrisch änderbare Festspeichervorrichtungen des Typs mit schwimmendem Gate, die in auf Mikroprozessoren basierenden Systemen, in dafür bestimmten nicht-flüchtigen Speichern, in TV- Kanalwähleinrichtungen sowie in anderen vergleichbaren Systemen verwendet werden.The present invention relates generally to semiconductor memory devices and more particularly to electrically changeable floating gate type read only memory devices used in microprocessor based systems, dedicated non-volatile memories, television channel selectors and other similar systems.
Auf Mikroprozessoren basierende Systeme sowie verwandte Einrichtungen benötigen in zunehmendem Umfang Festspeicherelemente, die sich durch elektrische Mittel ändern lassen, d. h. Speicherelemente, die zwar zum Behalten von darin eingeschriebenen Daten für relativ lange Zeitdauern (mehrere Jahre) ausgelegt sind, jedoch dennoch die Möglichkeit zum Löschen und erneuten Einschreiben (Neuprogrammieren) aller oder eines Teils der darin enthaltenen Daten durch elektrische Mittel bieten, und zwar im wesentlichen ohne Notwendigkeit des Entfernens der diese enthaltenden Mikroschaltung aus dem Gerät zum Durchführen der unter Bestrahlung erfolgenden Löschbehandlungen (die einer evtl. erforderlichen gesamten Neuprogrammierung vorausgehen), wie dies bei den Festspeichervorrichtungen des FAMOS-Typs erforderlich war, wobei letzteres steht für "Floating Gate Avalanche Metal Oxide Semiconductor".Microprocessor-based systems and related devices increasingly require read-only memory elements that can be altered by electrical means, i.e. memory elements that, while designed to retain data written therein for relatively long periods of time (several years), nevertheless offer the possibility of erasing and rewriting (reprogramming) all or part of the data contained therein by electrical means, essentially without the need to remove the microcircuitry containing them from the device in order to carry out the irradiation erasure treatments (which precede any total reprogramming that may be required), as was required for read-only memory devices of the FAMOS type, the latter standing for "Floating Gate Avalanche Metal Oxide Semiconductor".
In letzter Zeit ist die Technik an einem Punkt angelangt, an dem eine Anzahl elektrisch änderbarer, nicht-flüchtiger Speichervorrichtungen erfolgreich hergestellt wurde. Mikroprozessoren oder solche Speichervorrichtungen beinhaltende Systeme, die auch als EE-PROM für "Electrically Erasable- Programmable Read-Only Memory" oder als EA-PROM für "Electrically Alterable - Programmable Read-Only Memory" bekannt sind, bieten den großen Vorteil gegenüber den Vorrichtungen des Standes der Technik, daß sie sowohl das Löschen und Neueinschreiben einzelner Bytes als auch das Löschen der gesamten gespeicherten Daten ermöglichen.Recently, the art has reached a point where a number of electrically alterable, non-volatile memory devices have been successfully manufactured. Microprocessors or systems incorporating such memory devices, also known as EE-PROM for "Electrically Erasable- Programmable Read-Only Memory" or EA-PROM for "Electrically Alterable - Programmable Read-Only Memory", offer the great advantage over prior art devices of allowing both the erasure and rewriting of individual bytes and the erasure of all stored data.
Bei der Speicherzelle, d. h. der grundlegenden integrierten Halbleiterstruktur solcher Vorrichtungen, handelt es sich um die sogenannte FLOTOX-Zelle, die sich ableitet von "Floating Gate Tunnel Oxide" und in einem Artikel mit dem Titel "16-J-EE- PROM Relies on Tunnelling for Byte-Erasable Program Storage" von W.S. Johson et al in "Electronics" vom 28. Februar 1980, Seiten 113-117, beschrieben ist. In diesem Artikel beschreibt der Autor eine FLOTOX- Struktur, bei der eine Zelle, die eine polykristalline Siliziumstruktur mit schwimmendem Gate verwendet, eine derartige Struktur aufweist, die durch ein geeignetes "Fenster" mit Elektronen (oder Löchern) geladen wird, wodurch durch einen Fowler- Nordheim-Tunnelmechanismus eine dünne Oxidschicht zwischen der Struktur des schwimmenden Gates und dem monokristallinen Silizium entsprechend der Drain-Zone geschaffen wird. Das heißt, bei dem zum Einschließen der Ladung in einer Elektrode mit schwimmendem Gate verwendeten Mechanismus handelt es sich um Leitung durch einen Tunneleffekt von Elektronen (oder Löchern) durch eine dünne Oxid- Dielektrikumschicht, und zwar hervorgerufen durch ausreichend hohe elektrische Felder im allgemeinen von mehr als wenigstens 10 MV/cm.The memory cell, i.e. the basic integrated semiconductor structure of such devices, is the so-called FLOTOX cell, which is derived from "Floating Gate Tunnel Oxide" and is described in an article entitled "16-J-EE-PROM Relies on Tunnelling for Byte-Erasable Program Storage" by WS Johson et al in "Electronics" of February 28, 1980, pages 113-117. In this article, the author describes a FLOTOX structure in which a cell using a floating gate polycrystalline silicon structure has such a structure charged with electrons (or holes) through a suitable "window", creating a thin oxide layer between the floating gate structure and the monocrystalline silicon corresponding to the drain region by a Fowler-Nordheim tunneling mechanism. That is, the mechanism used to confine the charge in a floating gate electrode is conduction by a tunneling effect of electrons (or holes) through a thin oxide dielectric layer caused by sufficiently high electric fields, generally of at least 10 MV/cm.
Ähnliche Vorrichtungen des Standes der Technik, die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechen, sind aus Electronics, Band 53, Nr. 5 (1980); W.S. Johnson et al: "16-K EE-PROM relies on tunnelling for byte-erasable program storage" sowie aus der EP-A-0 164 605 bekannt.Similar prior art devices corresponding to the preamble of claim 1 are known from Electronics, Volume 53, No. 5 (1980); W.S. Johnson et al: "16-K EE-PROM relies on tunnelling for byte-erasable program storage" and from EP-A-0 164 605.
Das Verständnis des Standes der Technik und dessen Nachteile sowie die Beschreibung des auf eine FLO- TOX-Zelle gerichteten Ziels der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen erleichtert; dabei zeigen:The understanding of the prior art and its disadvantages as well as the description of the object of the present invention directed to a FLOTOX cell are facilitated by reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Struktur einer FLOTOX-Speicherzelle des herkömmlichen Typs;Fig. 1 is a schematic sectional view of the structure of a FLOTOX memory cell of the conventional type;
Fig. 2 ein Diagramm der relevanten kapazitiven Kopplungen der FLOTOX-Struktur der Fig. 1;Fig. 2 is a diagram of the relevant capacitive couplings of the FLOTOX structure of Fig. 1;
Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, wie sie in der Praxis auf einem Halbleiterchip gemäß einem bekannten Herstellungsverfahren gebildet ist;Fig. 3 is a schematic plan view of an elementary FLOTOX memory cell as it is formed in practice on a semiconductor chip according to a known manufacturing process;
Fig. 4 eine schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, die gemäß einem weiteren, von Fig. 3 verschiedenen bekannten Verfahren hergestellt ist;Fig. 4 is a schematic plan view of an elementary FLOTOX memory cell manufactured according to another known method different from Fig. 3;
Fig. 5 eine Schematische Draufsicht auf eine elementare FLOTOX-Speicherzelle, die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildet ist;Fig. 5 is a schematic plan view of an elementary FLOTOX memory cell formed according to the present invention;
Fig. 6 eine Schematische Schnittansicht der elementaren FLOTOX-Speicherzelle der vorliegenden Erfindung.Fig. 6 is a schematic sectional view of the elementary FLOTOX memory cell of the present invention.
Wie in Fig. 1 schematisch gezeigt ist, umfaßt eine typische Konfiguration einer FLOTOX-Zelle ein erstes Niveau bzw. eine erste Schicht aus polykristallinem Silizium 1, die vollständig isoliert ist und die Elektrode des schwimmenden Gates bildet. Diese Schicht ist von dem monokristallinen Silizium 2 durch die Gate-Oxidschicht 3 isoliert und erstreckt sich über eine Kanalzone 9 in der MOS-Vorrichtung, die zwischen einer Source-Zone 10 und einer Drain-Zone 7 gebildet ist, sowie über eine gewisse Strecke über diese Drain-Zone 7. Eine Isolierschicht 4 aus Siliziumoxid oder einem äquivalenten Dielektrikum, das man unter Wärmeeinwirkung aufwachsen läßt oder durch chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) niederschlägt, isoliert das erste Niveau polykristallinen Siliziums 1 von einem zweiten Niveau polykristallinen Siliziums 5, welches die sogenannte Steuergate-Elektrode bildet. Ein geeignetes Schreib/Lösch-"Fenster" 6 ist in der Gate-Oxidschicht 3 vorhanden, um elektrische Ladungen entsprechend der Drain-Zone 7 der MOS-Vorrichtung durch einen Tunnelmechanismus zu dem schwimmenden Gate 1 zu übertragen. Entsprechend diesem Fenster ist die Isolierung zwischen dem schwimmenden Gate und dem Silizium durch eine extrem dünne Schicht aus Siliziumoxid 8 gebildet, das als Tunneloxid bezeichnet wird und dessen Dicke gegenüber der normalen Dicke des Gate-Oxids 3, die typischerweise mehr als 25 nm (250 ) ist, sowie gegenüber der Dicke der Isolierschicht 4, die typischerweise mehr als 20 nm (200 ) ist, normalerweise weniger als 10 nm (100 ) beträgt.As shown schematically in Fig. 1, a typical configuration of a FLOTOX cell comprises a first level or layer of polycrystalline silicon 1 which is completely insulated and forms the floating gate electrode. This layer is insulated from the monocrystalline silicon 2 by the gate oxide layer 3 and extends across a channel region 9 in the MOS device formed between a source region 10 and a drain region 7 and over a certain distance across this drain region 7. An insulating layer 4 of silicon oxide or an equivalent dielectric, grown under the influence of heat or deposited by chemical vapor deposition (CVD), insulates the first level of polycrystalline silicon 1 from a second level of polycrystalline silicon 5 which forms the so-called control gate electrode. A suitable write/erase "window" 6 is provided in the gate oxide layer 3 to transfer electrical charges corresponding to the drain region 7 of the MOS device to the floating gate 1 through a tunneling mechanism. According to this window, the insulation between the floating gate and the silicon is formed by an extremely thin layer of silicon oxide 8, called tunnel oxide, the thickness of which is greater than the normal thickness of the gate oxide 3, which is typically more than 25 nm (250 ), and compared to the thickness of the insulating layer 4, which is typically more than 20 nm (200 ), normally less than 10 nm (100 ).
Weiterhin zeigt Fig. 1 den Leitungsauswähl- oder Auswähltransistor, der in Reihe zu der eigentlichen Speicherzelle ausgebildet ist und dessen Gate auch als "Transfer-Gate" bezeichnet wird.Furthermore, Fig. 1 shows the line selection or select transistor, which is formed in series with the actual memory cell and whose gate is also referred to as "transfer gate".
Das Arbeitsprinzip dieser Speicherzelle ist allgemein bekannt: Elektronen können in das schwimmende Gate injiziert werden, indem man ein geeignetes elektrisches Feld zwischen diesem schwimmenden Gate und dem Drain der Speichervorrichtung anlegt; ein solches elektrisches Feld wird durch eine kapazitive Kopplung durch das Steuer-Gate angelegt, wobei ein Zugang zu dem schwimmenden Gate nicht möglich ist. Elektronen können dadurch aus dem schwimmenden Gate entfernt werden, daß man ein elektrisches Feld entgegengesetzten Vorzeichens wiederum zwischen dem schwimmenden Gate und dem Drain anlegt; dies erzielt man durch Verbinden des Steuer-Gates mit Masse sowie durch Anlegen einer positiven Spannung an den Drain des Speicherelements mittels des Transfer-Gates.The working principle of this memory cell is well known: electrons can be injected into the floating gate by applying a suitable electric field between this floating gate and the drain of the memory device; such an electric field is applied by a capacitive coupling through the control gate, whereby access to the floating gate is not possible. Electrons can be removed from the floating gate by applying an electric field of opposite sign again between the floating gate and the drain; this is achieved by connecting the control gate to ground and by applying a positive voltage to the drain of the memory element via the transfer gate.
Eines der wichtigsten, bei der Realisierung solcher Speicherzellen auftretenden technischen Probleme betrifft die Definition des Tunnelbereichs, d. h. des dünnen Oxid-"Fensters", für den Transfer der elektrischen Ladungen von und zu dem schwimmenden Gate. In Wirklichkeit ist es notwendig, diesen Bereich aus zwei Gründen so klein wie möglich zu machen.One of the most important technical problems encountered in the realization of such memory cells concerns the definition of the tunnel region, i.e. the thin oxide "window" for the transfer of electrical charges to and from the floating gate. In reality, it is necessary to make this region as small as possible for two reasons.
Das Speicherelement läßt sich schematisch als Kondensatornetzwerk darstellen, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Im wesentlichen ist dabei das Speicherelement, d. h. das schwimmende Gate (FG), durch die Kapazität C&sub1; der dielektrischen Schicht 4 mit dem Steuergate (CG) 5, durch die Kapazität C&sub2; des Gate- Oxids 3 mit dem Halbleitermaterial der Drain-Zone (D), der Source-Zone (S) und der Kanalzone (Ch), d. h. mit den Zonen 7, 10 und 9, sowie durch die Kapazität C&sub3; des Tunneloxids 8 mit der Drain-Zone (D) 7 kapazitiv gekoppelt. Das Potential, das das schwimmende Gate der Speichervorrichtung erreichen kann, hängt in offensichtlicher Weise von den Werten der zwischen dem Steuer-Gate und dem Drain der Vorrichtung angelegten Spannungen, von seiner kapazitiven Kopplung sowie von der gespeicherten elektrischen Ladung ab. Durch entsprechende Überlegungen gelangt man zu der Feststellung, daß das von dem schwimmenden Gate erreichbare Potential bestimmt ist durch:The memory element can be represented schematically as a capacitor network, as shown in Fig. 2. Essentially, the memory element, i.e. the floating gate (FG), is capacitively coupled to the control gate (CG) 5 by the capacitance C1 of the dielectric layer 4, to the semiconductor material of the drain zone (D), the source zone (S) and the channel zone (Ch), i.e. to the zones 7, 10 and 9, by the capacitance C2 of the gate oxide 3, and to the drain zone (D) 7 by the capacitance C3 of the tunnel oxide 8. The potential that the floating gate of the memory device can reach obviously depends on the values of the voltages applied between the control gate and the drain of the device, on its capacitive coupling and on the stored electrical charge. By appropriate considerations, one arrives at the conclusion that the potential that can be reached by the floating gate is determined by:
VFG = αVCG, wobei α = C&sub1;/C&sub1; + C&sub2; + C&sub3;VFG = αVCG, where α = C₁/C₁ + C2; + C3;
Zur Minimierung der an die Vorrichtung anzulegenden Spannungen zum Modifizieren ihres Zustands, d. h. zum Auslösen der "Schreib-" und "Lösch-"Vorgänge ist es von Vorteil, daß der Wert von C&sub3; so niedrig wie möglich ist: In Anbetracht der Tatsache, daß das Tunneloxid notwendigerweise extrem dünn sein muß, um in der Lage zu sein, durch seine Dicke hindurch extrem intensive elektrische Felder (in der Größenordnung von 10 MV/cm) zu erhalten, so daß die elektrischen Ladungen die Energiebarriere durch den Tunnelmechanismus überwinden können, muß eben dieser Tunnelbereich soweit wie möglich reduziert werden, um den Wert von C&sub3; niedrig zu halten und dadurch die Konstante α zu maximieren.In order to minimize the voltages to be applied to the device to modify its state, i.e. to trigger the "write" and "erase" operations, it is advantageous that the value of C3 is as low as possible: given that the tunnel oxide must necessarily be extremely thin in order to be able to receive extremely intense electric fields (of the order of 10 MV/cm) through its thickness so that the electric charges can overcome the energy barrier through the tunnel mechanism, this tunnel region must be reduced as much as possible in order to keep the value of C3 low and thereby maximize the constant α.
Die Reduzierung des Tunnelbereichs ist auch aus anderen Gründen von Vorteil. Die extrem dünne dielektrische Schicht aus Tunneloxid, die in der genannten Weise extrem hohen elektrischen Feldern ausgesetzt ist, unterliegt einem allgemein bekannten Verschleißphänomen, d. h. das Oxid besitzt die Tendenz zur Verschlechterung nach einer bestimmten Anzahl von Einschreib- und Löschzyklen. Dieses Phänomen ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß selbst bei Verwendung der exaktetesten Techniken zum Bilden einer solchen dünnen Schicht aus Dielektrikum es unmöglich ist, daß ihre Oberfläche vollständig frei von Gitterdefekten bleibt, die zu einer Ursache des Verschleißphänomens werden. Das Reduzieren der Größe des Tunnelbereichs bedeutet somit andererseits eine Erhöhung der Wahrscheinlichkeit, daß eine solche kleine Fläche frei von Defekten bleibt.The reduction of the tunnel area is also advantageous for other reasons. The extremely thin dielectric layer of tunnel oxide, exposed to extremely high electric fields in the manner mentioned, is subject to a well-known wear phenomenon, i.e. the oxide has a tendency to deteriorate after a certain number of write and erase cycles. This phenomenon arises due to the fact that even when using the most precise techniques for forming such a thin layer of dielectric, it is impossible for its surface to remain completely free of lattice defects which become a cause of the wear phenomenon. Reducing the size of the tunnel area therefore means, on the other hand, increasing the probability that such a small area will remain free of defects.
Gemäß den bekannten Techniken erfolgen die Definition des Tunneloxidbereichs sowie dessen Bildung im allgemeinen in der in Fig. 3 und 4 schematisch dargestellten Weise.According to the known techniques, the definition of the tunnel oxide region and its formation generally take place in the manner shown schematically in Figs. 3 and 4.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Draufsichten auf eine FLOTOX-Speicherzelle, wie sie schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, wobei deren Bezugszeichen auch in den Fig. 3 und 4 zum Bezeichnen derselben Teile verwendet werden. Der "T"-förmige Umriß, der durch die dicken Linien 12 dargestellt ist, definiert den aktiven Bereich einer elementaren Speicherzelle, d. h. den nicht von dem Feldoxid bedeckten Bereich. Sowohl in Fig. 3 als auch in Fig. 4 ist ein Bereich 13 gezeigt, der für die elektrische "Spalten"-Verbindung der elementaren FLOTOX-Zelle in einer herkömmlichen Speichermatrix dient, die aus einer großen Anzahl von Zellen gebildet ist, welche in einer Anordnung aus Zeilen und Spalten angeordnet sind.Figures 3 and 4 show plan views of a FLOTOX memory cell as schematically shown in Figure 1, the reference numerals of which are also used in Figures 3 and 4 to designate the same parts. The "T"-shaped outline shown by the thick lines 12 defines the active area of an elementary memory cell, i.e. the area not covered by the field oxide. In both Figures 3 and 4, an area 13 is shown which serves for the electrical "column" connection of the elementary FLOTOX cell in a conventional memory matrix, which is made up of a large number of cells arranged in an array of rows and columns.
Gemäß dem Herstellungsprozeß der elementaren Speicherzelle der Fig. 3 ist der Tunneloxidbereich 6 definiert durch die Überkreuzung von zwei Masken; d. h. der zum Definieren des ersten Niveaus polykristallinen Siliziums 1 (schwimmendes Gate) verwendeten Maske sowie einer Maske, die zum "Öffnen" des Gate-Oxids in einem in gestrichelten Linien 14 dargestellten Bereich dient, über dem man Tunneloxid aufwachsen läßt.According to the manufacturing process of the elementary memory cell of Fig. 3, the tunnel oxide region 6 is defined by the crossing of two masks; i.e. the mask used to define the first level of polycrystalline silicon 1 (floating gate) and a mask used to "open" the gate oxide in a region shown in dashed lines 14 over which tunnel oxide is grown.
Gemäß einer weiteren Technologie, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, wird der Tunnelbereich 6 durch eine geeignete Maske definiert, die das Fenster bestimmt, durch welches das Gate-Oxid geätzt wird, bis das darunterliegende Silizium freigelegt ist, bevor man dann über diesen Bereich das Tunneloxid aufwachsen läßt.According to another technology, as shown in Fig. 4, the tunnel region 6 is defined by a suitable mask which determines the window through which the gate oxide is etched until the underlying silicon is exposed, before the tunnel oxide is then grown over this region.
Sowohl die in Fig. 3 und 4 gezeigten Techniken als auch andere, ähnliche Techniken besitzen den Nachteil, daß sie durch die Definitions- und Ausrichtungseigenschaften der speziellen verwendeten oder zur Verfügung stehenden photolithographischen Technik eingeschränkt sind. Andererseits bedingt die Notwendigkeit zur Reduzierung des Tunnelbereichs soweit wie möglich ein Arbeiten an der Definitionsgrenze, mit dem Resultat, daß dem Herstellungsvorgang ernsthafte Probleme hinsichtlich Steuerung und Reproduzierbarkeit auferlegt werden, ohne daß man dabei entscheidend zufriedenstellende Ergebnisse hinsichtlich der Minimierung des Tunnelbereichs erhält.Both the techniques shown in Figs. 3 and 4, as well as other similar techniques, have the disadvantage of being limited by the definition and alignment characteristics of the particular photolithographic technique used or available. On the other hand, the need to reduce the tunnel area as much as possible requires working at the definition limit, with the result that serious problems of control and reproducibility are imposed on the manufacturing process without obtaining decisively satisfactory results in terms of minimizing the tunnel area.
Daraus ist die Tendenz entstanden, zum Definieren des Tunnelbereichs photolithographische Technologien zu verwenden, die gegenüber den für alle anderen Schichten der integrierten Schaltung normalerweise verwendeten photolithographischen Technologien fortgeschrittener sind, wodurch noch komplexere Probleme hinsichtlich der Kompatibilität unter den verschiedenen, bei dem Herstellungsverfahren verwendeten Vorrichtungen entstehen.This has led to a tendency to use photolithographic technologies to define the tunnel region that are more advanced than those normally used for all other layers of the integrated circuit, thereby creating even more complex problems of compatibility between the various devices used in the manufacturing process.
Es besteht daher eine deutliche Notwendigkeit bzw. ein deutlicher Nutzen der Verwendung einer FLOTOX- Zelle für EEPROM-Speicher, die hinsichtlich des Tunnelbereichs minimale Abmessungen besitzt und sich in einfacher Weise herstellen läßt, ohne daß dafür besonders komplizierte photolithographische Technologien erforderlich sind.There is therefore a clear need or benefit in using a FLOTOX cell for EEPROM memories, which has minimal dimensions in terms of the tunnel area and can be easily manufactured without the need for particularly complicated photolithographic technologies.
Solche Ziele und Vorteile erreicht man durch die nicht-flüchtige Halbleiterspeichervorrichtung des Typs mit schwimmendem Gate (die auch als FLOTOX- Zelle bekannt ist), die eine neuartige Konfiguration und Struktur aufweist, wie dies in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Die Struktur der erfindungsgemäßen FLOTOX-Zelle ist derart, daß sich eine Minimierung des Tunnelbereichs unabhängig von den Begrenzungen der zum Definieren der Bereiche verwendeten, speziellen photolithographischen Technologie ermöglichen läßt, wobei sich die Definition des Ausmaßes des Tunnelbereichs durch Steuern im wesentlichen nicht-kritischer Parameter des Herstellungsvorgangs ermöglichen läßt.Such objects and advantages are achieved by the floating gate type non-volatile semiconductor memory device (also known as a FLOTOX cell) having a novel configuration and structure as defined in the appended claims. The structure of the FLOTOX cell of the present invention is such that it enables the tunnel region to be minimized regardless of the limitations of the particular photolithographic technology used to define the regions, and it enables the extent of the tunnel region to be defined by controlling substantially non-critical parameters of the manufacturing process.
Im Unterschied zu den FLOTOX-Zellen bekannten Typs sieht die erfindungsgemäße Zelle keinen Tunnelbereich mehr vor, der innerhalb einer viel größeren, überlagerten Zone des schwimmenden Gates über der Drain-Zone der MOS-Vorrichtung definiert ist, sondern statt dessen entsprechend dem in Richtung auf die Drain-Zone der Vorrichtung liegenden Rand des schwimmenden Gates definiert ist, wobei nach dem Entfernen des Gate-Oxids, und nach dem Ausbilden einer Schicht aus Tunneloxid über einer ausreichend ausgedehnten Fläche, die wenigstens ein Stück dieses Rands enthält, ein Anhang (oder saumartiger Rand) aus polykristallinem Silizium gebildet wird, der mit dem schwimmenden Gate in geeigneter Weise elektrisch verbunden wird. Die untere Basis eines solchen saumartigen Rands aus polykristallinem Silizium führt dazu, daß diese durch die Schicht aus Tunneloxid von dem monokristallinen Silizium isoliert ist. Ein solcher Anhang oder saumartiger Rand, der längs des Rands des schwimmenden Gates gebildet ist, läßt sich in vorteilhafter Weise durch einen sogenannten "selbstausgerichteten" Vorgang bilden, bei dem keinerlei kritische Maske erforderlich ist und bei dem sich die die Tunnelfläche bzw. den Tunnelbereich bestimmende "Breite" der Basis eines solchen saumartigen Rands in einfacher Weise durch Steuern der Bedingungen festlegen läßt, unter denen ein anisotoper Ätzvorgang einer geeigneten Schicht oder mehrerer Schichten von zuvor auf der Oberfläche des bearbeiteten Wafers aufgebrachtem, polykristallinen Matrix-Silizium ausgeführt wird.In contrast to the FLOTOX cells of known type, the cell according to the invention no longer provides for a tunnel region which is located within a much larger, superimposed zone of the floating gate above the Drain region of the MOS device, but instead is defined according to the edge of the floating gate lying towards the drain region of the device, wherein after removal of the gate oxide, and after formation of a layer of tunnel oxide over a sufficiently extensive area containing at least a portion of said edge, an appendage (or seam-like edge) of polycrystalline silicon is formed which is electrically connected to the floating gate in a suitable manner. The lower base of such a seam-like edge of polycrystalline silicon results in being insulated from the monocrystalline silicon by the layer of tunnel oxide. Such an appendage or seam formed along the edge of the floating gate may advantageously be formed by a so-called "self-aligned" process in which no critical mask is required and in which the "width" of the base of such seam defining the tunnel area or region may be easily determined by controlling the conditions under which an anisotopic etch is carried out of an appropriate layer or layers of polycrystalline matrix silicon previously deposited on the surface of the wafer being processed.
Ein weiterer Vorteil der speziellen Konfiguration der Zelle gemäß dem Ziel der vorliegenden Erfindung ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß es durch die nicht länger vorhandene Notwendigkeit zur Schaffung einer ausreichend großen Überlagerungszone zwischen dem polykristallinen Silizium des ersten Niveaus (schwimmendes Gate) und der Drain-Zone der Vorrichtung möglich ist, den von einer einzelnen Speicherzelle eingenommenen Gesamtbereich zu reduzieren, d. h. kompaktere Zellen zu schaffen.A further advantage of the special configuration of the cell according to the object of the present invention is due to the fact that, by eliminating the need to create a sufficiently large overlay region between the polycrystalline silicon of the first level (floating gate) and the drain region of the device, it is possible to achieve the high throughput of a single memory cell to reduce the total area occupied, i.e. to create more compact cells.
Die erfindungsgemäße FLOTOX-Zelle sowie das Verfahren zur Herstellung desselben werden durch die Darstellung eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 noch näher erläutert.The FLOTOX cell according to the invention and the method for producing the same are explained in more detail by the presentation of a particularly preferred embodiment of the invention with reference to Figs. 5 and 6.
Es wird nun auf die Fig. 5 und 6 Bezug genommen, wobei dieselben Bezugszeichen zum Bezeichnen entsprechender oder ähnlicher Teile verwendet werden, die in den in Verbindung mit dem Stand der Technik beschriebenen, vorangehenden Figuren dargestellt sind; die erfindungsgemäße FLOTOX-Zelle umfaßt dabei ähnlich den Zellen des Standes der Technik ein erstes Niveau aus polykristallinem Silizium (kurz als Polysilizium 1 bezeichnet), das in den Figuren durch eine spezielle Schraffierung dargestellt ist und von der Oberfläche des Halbleitermaterials durch die dielektrische Schicht aus Gate- Oxid isoliert ist und das Speicherelement, d. h. das schwimmende Gate der Vorrichtung, bildet.Referring now to Figures 5 and 6, wherein the same reference numerals are used to designate corresponding or similar parts shown in the preceding figures described in connection with the prior art, the FLOTOX cell according to the invention comprises, similarly to the prior art cells, a first level of polycrystalline silicon (referred to as polysilicon 1 for short), which is shown in the figures by a special hatching and is insulated from the surface of the semiconductor material by the dielectric layer of gate oxide and forms the storage element, i.e. the floating gate of the device.
Eine solche erste Schicht bzw. ein solches erstes Niveau aus Polysilizium wird über einer Kanalzone 9 des Halbleitermaterial-Chips 2 angeordnet und erstreckt sich seitlich über eine gewisse Distanz des umgebenden Feldoxids hinaus, welches den aktiven Bereich der elementaren Zelle definiert und in Fig. 5 durch die dicken Linien 12 angedeutet ist.Such a first layer or level of polysilicon is arranged above a channel zone 9 of the semiconductor material chip 2 and extends laterally beyond a certain distance of the surrounding field oxide, which defines the active region of the elementary cell and is indicated in Fig. 5 by the thick lines 12.
Bei der MOS-Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen N-Kanal, d. h. die Kanalzone 9 ist an der Oberfläche eines halbleitenden Monokristalls z. B. aus Silizium mit p-Leitfähigkeit gebildet, d. h. aus Silizium, das mit Akzeptor-Dotierstoffen (z. B. Bor) dotiert ist.The MOS device is preferably an N-channel, ie the channel region 9 is formed on the surface of a semiconducting monocrystal, e.g. made of silicon with p-conductivity, ie made of silicon doped with acceptor dopants (e.g. boron).
Die Source-Zone 10 und die Drain-Zone 7 der Vorrichtung werden in üblicher Weise durch starke Implantation und Diffusion von Donator Dotierstoffen (z. B. Phosphor oder Arsen) gebildet.The source region 10 and the drain region 7 of the device are formed in a conventional manner by strong implantation and diffusion of donor dopants (e.g. phosphorus or arsenic).
Durch eine geeignete nicht-kritische Maske, deren Umriß den in Fig. 5 in einer gestrichelten Linie 15 dargestellten Umriß aufweisen kann, wird das vor dem Aufbringen und Definieren des ersten Niveaus von Polysilizium 1 zuvor auf der Oberfläche des Siliziums ausgebildete Gate-Oxid entfernt, bis das Silizium innerhalb der in diesem Umriß 15 liegenden Fläche, die nicht von der ersten Schicht bzw. dem ersten Niveau aus Polysilizium 1 bedeckt ist, wieder freiliegt. Durch Wärmeoxidation unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen wird dann die dünne Schicht aus Tunneloxid 8 gebildet, wobei sich diese natürlich auch über der oberen Oberfläche sowie über den vertikalen Rändern der ersten Schicht aus Polysilizium 1 bildet.By means of a suitable non-critical mask, the outline of which can have the outline shown in a dashed line 15 in Fig. 5, the gate oxide previously formed on the surface of the silicon before the application and definition of the first level of polysilicon 1 is removed until the silicon within the area lying in this outline 15, which is not covered by the first layer or the first level of polysilicon 1, is exposed again. The thin layer of tunnel oxide 8 is then formed by thermal oxidation under particularly strict conditions with regard to the absence of impurities, whereby this naturally also forms over the upper surface and over the vertical edges of the first layer of polysilicon 1.
Mittels einer weiteren Maske (die ebenfalls nichtkritischer Art ist), die den mit der strichpunktierten Linie 16 in Fig. 5 dargestellten Umriß aufweisen kann, werden vorzugsweise nach dem Aufbringen einer ersten Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke von ca. 50 nm (500 ) sowohl die Matrixschicht aus Polysilizium als auch die zuvor gebildete Schicht aus Tunneloxid innerhalb der von der Maske definierten Fläche entfernt.By means of a further mask (which is also of a non-critical nature), which can have the outline shown by the dash-dotted line 16 in Fig. 5, preferably after the application of a first matrix layer of polycrystalline silicon with a thickness of approximately 50 nm (500 ), both the matrix layer of polysilicon and the previously formed layer of tunnel oxide are removed within the area defined by the mask.
Eine zweite Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit gleichmäßiger Dicke, die vorzugsweise zwischen 400 und 500 nm (4000 und 5000 ) beträgt, wird über der gesamten Oberfläche der Vorrichtung aufgebracht, wobei diese zweite Schicht innerhalb derjenigen Bereiche, in denen das Tunneloxid zuvor entfernt worden ist, direkt auf der Oberfläche des ersten Niveaus von Polysilizium 1 aufgebracht wird und sich somit in einem Zustand elektrischer Kontinuität in bezug auf dieses befindet.A second matrix layer of polycrystalline silicon of uniform thickness, preferably between 400 and 500 nm (4000 and 5000 ), is deposited over the entire surface of the device, this second layer being deposited directly on the surface of the first level of polysilicon 1 within those regions where the tunnel oxide has previously been removed, and thus being in a state of electrical continuity with respect to it.
Wie bei einem sogenannten selbstausgerichteten Herstellungsverfahren, wird durch einen stark anisotropen Ätzvorgang, z. B. einen Reaktionsionen- Ätzvorgang, der bis zum vollständigen Entfernen der gesamten Dicke der Schicht oder Schichten aus polykristallinem Matrix-Silizium (50 + 400 oder 500 nm) (500 + 4000 oder 5000 ) ausgeführt wird, die Bildung eines Anhangs oder eines saumartigen Rands (der analog zu solchen saumartigen Rändern oder Abstandselementen aus dielektrischen Materialien, die in dem sogenannten selbstausgerichteten Verfahren gebildet werden, auch als "Abstandselement" bezeichnet werden kann) 1a und 1b aus polykristallinem Silizium entlang der Ränder des Polysiliziums 1 des ersten Niveaus bestimmt.As in a so-called self-aligned manufacturing process, a highly anisotropic etching process, e.g. a reaction ion etching process, carried out until the entire thickness of the layer or layers of polycrystalline matrix silicon (50 + 400 or 500 nm) (500 + 4000 or 5000 ) is completely removed, determines the formation of an appendage or a seam-like edge (which may also be referred to as a "spacer" analogously to such seam-like edges or spacers of dielectric materials formed in the so-called self-aligned process) 1a and 1b of polycrystalline silicon along the edges of the first level polysilicon 1.
Ein solcher saumartiger Rand (1a und 1b in den Zeichnungen) ist zwar kontinuierlich ausgebildet, doch ist er von dem Polysilizium 1 des ersten Niveaus durch die Schicht aus Tunneloxid 8 (die eine weitere Isolierung desselben von dem Silizium schafft, wie dies in Fig. 6 zu sehen ist) entsprechend dem der Drain-Zone 7 der Vorrichtung benachbarten Rand des schwimmenden Gates 1 getrennt; entsprechend dem der Source-Zone 10 benachbarten Rand des schwimmenden Gates 1 wird jedoch derselbe saumartige Rand aus Polysilizium direkt über dem Rand des bereits bestehenden ersten Niveaus aus Polysilizium 1 gebildet, nachdem in der vorstehend beschriebenen Weise die dünne Schicht aus Tunneloxid aus dem von der Maske 16 definierten Bereich entfernt worden ist (Fig. 5).Such a seam-like edge (1a and 1b in the drawings) is continuous, but it is separated from the first level polysilicon 1 by the layer of tunnel oxide 8 (which provides further insulation of it from the silicon, as can be seen in Fig. 6) corresponding to the edge of the floating gate 1 adjacent to the drain region 7 of the device; however, corresponding to the edge of the floating gate 1 adjacent to the source region 10, the same A seam-like edge of polysilicon is formed directly above the edge of the already existing first level of polysilicon 1 after the thin layer of tunnel oxide has been removed from the area defined by the mask 16 in the manner described above (Fig. 5).
Auf diese Weise ergibt sich das Resultat, daß auch die über dem Rand des schwimmenden Gates 1 angrenzend an die Drain-Zone 7 ausgebildete Länge des saumartigen Rands 1b, dessen Basisfläche, d. h. dessen Breite, das Ausmaß des Tunnelbereichs bestimmt, in elektrischer Verbindung mit dem zuvor gebildeten Bereich des schwimmenden Gates steht, das durch das erste Niveau aus Polysilizium 1 gebildet ist. Wenigstens innerhalb der Überlagerungszone des Polysiliziums über dem Feldoxid auf der rechten Seite der Fig. 5 ist es tatsächlich so, daß der saumartige Rand aus Polysilizium 1b sich in direktem Kontakt mit dem Polysilizium 1 des ersten Niveaus befindet, und zwar wenigstens entlang der mit dem Bezugszeichen 17 bezeichneten Länge.In this way, the result is that the length of the seam-like edge 1b formed above the edge of the floating gate 1 adjacent to the drain zone 7, the base area, i.e. the width of which determines the extent of the tunnel region, is also in electrical connection with the previously formed region of the floating gate, which is formed by the first level of polysilicon 1. At least within the overlay zone of the polysilicon above the field oxide on the right-hand side of Fig. 5, it is actually the case that the seam-like edge of polysilicon 1b is in direct contact with the polysilicon 1 of the first level, at least along the length designated by the reference numeral 17.
Offensichtlich können auch andere Verfahren zum Gewährleisten der elektrischen Kontinuität zwischen den beiden das schwimmende Gate der Vorrichtung bildenden Bereichen verwendet werden, d. h. zwischen dem ersten Polysilizium 1, welches das echte schwimmende Gate der Vorrichtung darstellt und im wesentlichen über der Kanalzone 9 liegt, sowie dem längs der Ränder der ersten Schicht aus Polysilizium 1 gebildeten Anhang 1a, 1b, der entsprechend der der Drain-Zone 7 überlagerten Zone (Länge 1b) den erforderlichen Tunnelbereich für den Transfer elektrischer Ladungen zu sowie von der Verbundstruktur des schwimmenden Gates bildet.Obviously, other methods can also be used to ensure electrical continuity between the two regions forming the floating gate of the device, i.e. between the first polysilicon 1, which constitutes the true floating gate of the device and lies substantially above the channel region 9, and the appendix 1a, 1b formed along the edges of the first layer of polysilicon 1, which, corresponding to the region overlying the drain region 7 (length 1b), forms the necessary tunnel region for the transfer of electrical charges to and from the composite structure of the floating gate.
Durch Verwenden moderner Aufbringtechniken zum Aufbringen von polykristallinem Silizium zur Bildung der ersten und der zweiten Matrixschicht sowie eines Reaktionsionen-Ätzvorgangs zum Entfernen derselben unter Bedingungen eines stark anisotropen Ätzvorgangs läßt sich die zwischen 0,2 und 0,5 um liegende Breite der Basis des saumartigen Rands 1a, 1b in einfacher Weise erzielen, und wenn die Basisbreite des saumartigen Rands z. B. mit 0,3 um gewählt wird, läßt sich in einfacher Weise ein Tunnelbereich von 0,3·1,5 = 0,45 um² erzielen (wenn die Breite des von dem Speicherelement eingenommenen aktiven Bereichs 1,5 um beträgt, wie dies allgemein üblich ist).By using modern deposition techniques for depositing polycrystalline silicon to form the first and second matrix layers and a reaction ion etching process for removing them under conditions of a highly anisotropic etching process, the width of the base of the seam-like edge 1a, 1b between 0.2 and 0.5 µm can be easily achieved and if the base width of the seam-like edge is chosen to be 0.3 µm, for example, a tunnel region of 0.3·1.5 = 0.45 µm² can be easily achieved (if the width of the active area occupied by the memory element is 1.5 µm, as is common practice).
Gemäß den bekannten Strukturen der FLOTOX-Zelle wäre für ein ähnliches Resultat eine Technologie mit 0,7 um erforderlich; d. h. eine Technologie mit einer definierbaren Minimalbreite von 0,7 um, und somit wäre eine extrem komplizierte photolithographische Technologie notwendig, die Röntgenstrahlen anstatt UV-Licht verwendet.According to the known structures of the FLOTOX cell, a similar result would require a 0.7 µm technology; i.e. a technology with a definable minimum width of 0.7 µm, and thus an extremely complicated photolithographic technology using X-rays instead of UV light would be necessary.
Die durch die Zelle oder Speichervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verfügbaren Vorteile und Optimierungsmöglichkeiten sind vielschichtig, und zwar aufgrund der Tatsache, daß eine solche Reduzierung des Flächenbereichs und somit der Kapazität des Tunneloxids zusätzlich zu den verbesserten Standhalteeigenschaften hinsichtlich wiederholter Einschreib-/Löschzyklen der gespeicherten Daten zusätzlich noch mit anderen positiven Resultaten einhergeht, wie dies für den Fachmann in einfacher Weise erkennbar ist.The advantages and optimization possibilities available through the cell or storage device according to the present invention are multifaceted, due to the fact that such a reduction in the surface area and hence the capacity of the tunnel oxide, in addition to the improved withstand properties with respect to repeated write/erase cycles of the stored data, is also accompanied by other positive results, as will be readily apparent to those skilled in the art.
Zum Beispiel ermöglicht die ursprüngliche Konfiguration der erfindungsgemäßen Zelle eine starke Reduzierung auch der Kapazität C&sub2; (Fig. 2) insofern, als das gesamte schwimmende Gate kompakter wird und sich nicht länger über eine angemessen große Fläche über der Drain-Zone erstrecken zu braucht; die Abmessungen (in "Spalten"-Richtung) und/oder der überlagerte Bereich des Steuer-Gates und des schwimmenden Gates über dem diese umgebenden Feldoxid zum Erhöhen der Kapazität C&sub1; lassen sich reduzieren, wodurch ein höheres Maß an Integration möglich wird.For example, the original configuration of the cell according to the invention allows for a strong Reduction also of the capacitance C₂ (Fig. 2) in that the entire floating gate becomes more compact and no longer needs to extend over a reasonably large area above the drain region; the dimensions (in the "column" direction) and/or the overlying area of the control gate and the floating gate over the surrounding field oxide to increase the capacitance C₁ can be reduced, thus enabling a higher level of integration.
Die verminderte kritische Ausführung der Flächendefinitionsvorgänge (d. h. der Masken) führt auch zu einer Steigerung der "Ausbeute" des Herstellungsvorgangs.The reduced criticality of the surface definition operations (i.e. the masks) also leads to an increase in the "yield" of the manufacturing process.
Die Anordnung sowie die Verbindung der einzelnen Speichervorrichtung, d. h. der einzelnen FLOTOX- Zellen sowie des zugehörigen Auswähltransistors zur Bildung einer Speicherreihe erfolgen in üblicher Weise, wonach die Source-Zonen aller Elementarzellen mit Masse verbunden werden, die Steuer-Gates aller Zellen mit einer "Programmleitung" verbunden werden, die Gates der Auswähltransistoren mit einer sogenannten "Auswählleitung" verbunden werden und jeder Drain-Anschluß der verschiedenen Auswähltransistoren den Anschluß jeder "Spalte" der Speicherreihe bildet.The arrangement and connection of the individual storage device, i.e. the individual FLOTOX cells and the associated selection transistor to form a memory row, are carried out in the usual way, according to which the source zones of all elementary cells are connected to ground, the control gates of all cells are connected to a "program line", the gates of the selection transistors are connected to a so-called "select line" and each drain connection of the various selection transistors forms the connection of each "column" of the memory row.
Zum Entladen der Ladung von allen Elementarzellen werden die Programmleitungen und die Auswählleitungen mit einer ausreichend hohen Spannung polarisiert, während die Spaltenanschlüsse mit Masse verbunden sind.To discharge the charge from all unit cells, the program lines and the select lines are polarized with a sufficiently high voltage, while the column terminals are connected to ground.
Zum Einschreiben eines Daten-Bytes wird die Programmleitung mit Masse verbunden, während die Spalten relativ zu dem ausgewählten Byte nach Maßgabe des Datenmusters mit einer hohen Spannung polarisiert oder mit Masse verbunden werden, wobei die Auswählleitung auf einer hohen Spannung gehalten wird.To write a data byte, the program line is connected to ground, while the Columns relative to the selected byte may be polarized to a high voltage or grounded according to the data pattern, with the select line maintained at a high voltage.
Der bevorzugte Herstellungsvorgang zur Bildung der neuartigen Speichervorrichtungen der vorliegenden Erfindung läßt sich durch eine Reihe wesentlicher Verfahrensschritte beschreiben, die nachfolgend dargestellt sind.The preferred manufacturing process for forming the novel memory devices of the present invention can be described by a series of essential process steps, which are set out below.
Über ein halbleitendes Material eines ersten Leitfähigkeitstyps (typischerweise einer Scheibe aus monokristallinem, p-dotiertem Silizium), das an seiner Oberfläche voroxidiert wurde, wird eine Schicht aus Siliziumnitrid aufgebracht.A layer of silicon nitride is applied over a semiconducting material of a first conductivity type (typically a wafer of monocrystalline, p-doped silicon) that has been pre-oxidized on its surface.
Danach werden die aktiven Bereiche mit Photoresist maskiert, um das Nitrid zu ätzen, wonach dann die sogenannte Feldimplantation erfolgt; d. h. die Implantation von Akzeptor-Dotierstoffen in Bereichen, in denen die Isolierstruktur (dicke Schicht aus Feldoxid) zum Trennen der auf der Oberfläche des monokristallinen Siliziums auszubildenden, einzelnen Elementarvorrichtungen ausgebildet wird.The active areas are then masked with photoresist to etch the nitride, followed by the so-called field implantation; i.e. the implantation of acceptor dopants in areas where the insulating structure (thick layer of field oxide) is formed to separate the individual elementary devices to be formed on the surface of the monocrystalline silicon.
Nach dem Entfernen des Maskiermaterials wird die Feldoxidation ausgeführt, um die dicke Schicht aus Siliziumoxid in Bereichen wachsen zu lassen, die zuvor nicht von der Siliziumnitridschicht bedeckt waren. Gleichzeitig diffundiert der implantierte Dotierstoff in das Silizium in einen unmittelbar unter dem Feldoxid liegenden Bereich hinein, wodurch die Bildung der Isolierstruktur abgeschlossen ist.After removing the masking material, field oxidation is performed to grow the thick layer of silicon oxide in areas that were not previously covered by the silicon nitride layer. At the same time, the implanted dopant diffuses into the silicon in an area immediately beneath the field oxide, thus completing the formation of the insulating structure.
Nach dem Entfernen der Siliziumnitridschicht und der dünnen Schicht Oberflächenoxids, das man zuvor über der Oberfläche des Silizium-Einkristalls aufwachsen ließ, läßt man unter besonders strengen Bedingungen hinsichtliches des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine neue Schicht aus Siliziumoxid aufwachsen, um dadurch das sogenannte Gate-Oxid zu bilden.After removing the silicon nitride layer and the thin layer of surface oxide that was previously grown over the surface of the silicon single crystal, a new layer of silicon oxide is grown under particularly strict conditions with regard to the absence of impurities in order to form the so-called gate oxide.
Die erste Schicht oder das erste Niveau aus polykristallinem Silizium wird dann aufgebracht und schließlich dotiert, um seine elektrische Volumenleitfähigkeit zu erhöhen. Die Dicke des ersten Polysiliziums liegt vorzugsweise zwischen 4000 und 5000 .The first layer or level of polycrystalline silicon is then deposited and finally doped to increase its bulk electrical conductivity. The thickness of the first polysilicon is preferably between 4000 and 5000 μm.
Es wird ein neuer Maskiervorgang durchgeführt, und die Schicht aus polykristallinem Silizium wird geätzt, wodurch die Ränder des ersten Polysiliziums 1, d. h. des schwimmenden Gates der Speichervorrichtung, entlang einer Richtung definiert werden.A new masking process is performed and the layer of polycrystalline silicon is etched, defining the edges of the first polysilicon 1, i.e. the floating gate of the memory device, along one direction.
Es wird eine neue Photoresistmaske für die sogenannte FLOTOX-Implantation gebildet, und Dotierstoffe eines zweiten Leitfähigkeitstyps (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel n-Leitfähigkeit) werden in das Silizium zur Bildung der n&spplus;-dotierten Zonen implantiert, die die Drain-Zone bzw. die Source-Zone der MOS-Vorrichtungen bilden.A new photoresist mask is formed for the so-called FLOTOX implantation, and dopants of a second conductivity type (n-type conductivity in the illustrated embodiment) are implanted into the silicon to form the n+ doped regions which form the drain region and the source region of the MOS devices, respectively.
Nach dem Entfernen des für die n&spplus;-Implantation verwendeten Maskiermaterials wird eine neue Photoresistmaske (deren Umriß in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 15 dargestellt ist) gebildet, und durch diese Maske wird das Gate-Siliziumoxid in dem nicht von dem ersten Niveau aus Polysilizium bedeckten Bereich geätzt, bis der darunterliegende Siliziumkristall freiliegt.After removing the masking material used for the n+ implantation, a new photoresist mask (the outline of which is shown in Fig. 5 with the reference numeral 15) is formed, and through this mask the gate silicon oxide is formed in the region not covered by the first level of polysilicon. area is etched until the underlying silicon crystal is exposed.
Nach dem Entfernen des verbleibenden Maskiermaterials läßt man unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine dünne Schicht aus Siliziumoxid mit einer Dicke von ca. 10 nm (100 ) (Tunneloxid) unter Wärmeeinwirkung aufwachsen.After removing the remaining masking material, a thin layer of silicon oxide with a thickness of approximately 10 nm (100 ) (tunnel oxide) is grown under heat under particularly strict conditions with regard to the absence of impurities.
Über dieser dünnen Schicht aus Tunneloxid wird eine erste dünne Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer Dicke von ca. 50 nm (500 ) aufgebracht.A first thin matrix layer of polycrystalline silicon with a thickness of approximately 50 nm (500 ) is applied over this thin layer of tunnel oxide.
Eine neue Photoresistmaske, deren Umriß in Fig. 5 mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt ist, ermöglicht innerhalb eines solchen definierten Bereichs ein Entfernen sowohl des polykristallinen Siliziums der ersten dünnen Matrixschicht als auch der darunterliegenden dünnen Schicht aus Tunneloxid.A new photoresist mask, the outline of which is shown in Fig. 5 with the reference number 16, allows removal of both the polycrystalline silicon of the first thin matrix layer and the underlying thin layer of tunnel oxide within such a defined area.
Nach dem Entfernen des Maskiermaterials wird eine zweite Matrixschicht aus polykristallinem Silizium mit einer vorzugsweise zwischen 300 und 400 nm (3000 und 4000 ) liegenden Dicke aufgebracht.After removing the masking material, a second matrix layer of polycrystalline silicon is applied with a thickness preferably between 300 and 400 nm (3000 and 4000 ).
Die Matrixschicht aus polykristallinem Silizium wird dann einem anisotropen Ätzvorgang durch Reaktionsionenätzung unterzogen, und das Entfernen des polykristallinen Siliziums erfolgt, bis eine der aufgebrachten Dicke entsprechende Dicke entfernt worden ist. Wie dem Fachmann allgemein bekannt ist und es den sogenannten selbstausgerichteten Herstellungsverfahren entspricht, wird entsprechend den durch das Vorhandensein der darunterliegenden Schicht des polykristallinen Silizium des ersten Niveaus (schwimmendes Gate 1) bestimmten Schritten durch den anisotropen Ätzvorgang ein verbleibender saumartiger Rand (1b und 1a) in Fig. 5 und 6) aus polykristallinem Silizium übriggelassen, der zu der zuvor in gleichmäßiger Weise über der gesamten Oberfläche aufgebrachten Matrixschicht gehört.The polycrystalline silicon matrix layer is then subjected to an anisotropic etching process by reaction ion etching, and the polycrystalline silicon is removed until a thickness corresponding to the deposited thickness has been removed. As is well known to those skilled in the art and corresponds to the so-called self-aligned manufacturing processes, according to the properties created by the presence of the underlying layer of polycrystalline silicon of the first Levels (floating gate 1) certain steps by the anisotropic etching process a remaining seam-like edge (1b and 1a) in Fig. 5 and 6) of polycrystalline silicon is left, which belongs to the matrix layer previously applied uniformly over the entire surface.
An diesem Punkt ist es möglich, die zuvor ausgebildete Gate-Siliziumoxidschicht von den aktiven Bereichen der Vorrichtung zu entfernen, die nicht von der Verbundstruktur (1 + 1a + 1b) des schwimmenden Gates der hergestellten Speichervorrichtung bedeckt sind.At this point, it is possible to remove the previously formed gate silicon oxide layer from the active regions of the device that are not covered by the composite structure (1 + 1a + 1b) of the floating gate of the fabricated memory device.
Nach dem mittels einer geeigneten Maske erfolgenden Definieren der Ränder der Verbundstruktur des schwimmenden Gates entlang einer Richtung senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der zuvor definierten Ränder kann unter besonders strengen Bedingungen hinsichtlich des Nicht-Vorhandenseins von Verunreinigungen eine neue Schicht aus Gate-Siliziumoxid wieder über dem nicht von der Verbundstruktur des schwimmenden Gates bedeckten aktiven Bereich gebildet werden. Gleichzeitig kann die isolierende dielektrische Schicht 4 in vorteilhafter Weise zum Isolieren über dem schwimmenden Gate ausgebildet werden. Alternativ hierzu kann eine solche obere Isolierschicht der schwimmenden Gate-Struktur separat durch chemische Dampfphasenabscheidung von Siliziumoxid oder eines äquivalenten Oxids gebildet werden.After defining the edges of the composite floating gate structure along a direction perpendicular to the direction of extension of the previously defined edges by means of a suitable mask, a new layer of gate silicon oxide can be formed again over the active area not covered by the composite floating gate structure under particularly strict conditions regarding the absence of impurities. At the same time, the insulating dielectric layer 4 can advantageously be formed over the floating gate for insulation. Alternatively, such an upper insulating layer of the floating gate structure can be formed separately by chemical vapor deposition of silicon oxide or an equivalent oxide.
Das zweite Niveau aus polykristallinem Silizium wird aufgebracht und zur Erhöhung seiner elektrischen Volumenleitfähigkeit vorzugsweise dotiert.The second level of polycrystalline silicon is deposited and preferably doped to increase its electrical volume conductivity.
Der Herstellungsvorgang sieht dann das Aufwachsen einer Schicht aus Oxid über einer solchen zweiten Schicht bzw. einem solchen zweiten Niveau aus polykristallinem Silizium, die unter Verwendung geeigneter Masken erfolgende Definition der Geometrien des zweiten Niveaus aus polykristallinem Silizium (der Schaltungsanordnung sowie der Speicherzellen) sowie das Ätzen des zweiten Niveaus aus polykristallinem Silizium vor.The manufacturing process then involves growing a layer of oxide over such a second layer or second level of polycrystalline silicon, defining the geometries of the second level of polycrystalline silicon (the circuit arrangement and the memory cells) using suitable masks, and etching the second level of polycrystalline silicon.
Der Herstellungsvorgang fährt dann in herkömmlicher Weise wie jedes beliebige andere Polysilizium-Gate- CMOS- oder NMOS-Verfahren fort.The manufacturing process then continues in a conventional manner like any other polysilicon gate CMOS or NMOS process.
Bei dem Halbleitermaterial 2, über dem die einzelnen elementaren Speichervorrichtungen gebildet sind, kann es sich auch um eine "Wannen-"Zone eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel p-dotiertes Silizium) handeln, die in einem Substrat aus einem Halbleitermaterial eines anderes Leitfähigkeitstyps (z. B. ndotiertes Silizium) ausgebildet ist.The semiconductor material 2 over which the individual elementary memory devices are formed can also be a "well" zone of a certain conductivity type (in the illustrated embodiment, p-doped silicon) which is formed in a substrate made of a semiconductor material of a different conductivity type (e.g. n-doped silicon).
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